A Study on Failure Evaluation of Korean Low Floor Bus Structures Made of Hybrid Sandwich Composite

Copyright

2007 KSAE 1225-6382/2007/090- 08 Transactions of KSAE, Vol. 15, No. 6, pp.50-61 (2007)

하이브리드 샌드위치 복합재 초저상버스 구조물의 파손 평가 연구

이 재 열¹⁾․신 광 복^*2)․이 상 진³⁾

한밭대학교 기계설계공학과 대학원¹⁾․한밭대학교 기계설계공학과²⁾․(주)한국화이바 [(현)한국신발피혁연구소]³⁾

A Study on Failure Evaluation of Korean Low Floor Bus Structures Made of Hybrid Sandwich Composite

Jaeyoul Lee¹⁾․Kwangbok Shin^*2)․Sangjin Lee³⁾

1)

Department of Mechanical Design Engineering, Graduate School, Hanbat National University, Daejon 305-7190, Korea

2)

Department of Mechanical Design Engineering, Hanbat National University, Daejon 305-7190, Korea

3)

Transit Division, HANKUK Fiber Glass Co. LTD., 181-1 Yongji-ri, Bubuk-myeon, Milyang-si, Gyeongnam 627-852, Korea (Received 12 March 2007 / Accepted 19 June 2007)

Abstract : The structural stiffness, strength and stability on the bodyshell and floor structures of the Korean Low Floor Bus composed of laminate, sandwich panels and metal reinforced frame were evaluated. The laminate composite panel and facesheet of sandwich panel were made of WR580/NF4000 glass fabric/epoxy laminate, while aluminum honeycomb or balsa was applied to the core materials of the sandwich panel. A finite element analysis was used to verify the basic design requirements of the bodyshell and the floor structure. The use of aluminum reinforced frame and honeycomb core was beneficial for weight saving and structural performance. The symmetry of the outer and inner facesheet thickness of sandwich panels did not affect the structural integrity. The structural strength of the panels was evaluated using Von-Mises criterion for metal structures and total laminate approach criterion for composite structures.

All stress component of the bodyshell and floor structures were safely located below the failure stresses. The total laminate approach is recommended to predict the failure of hybrid sandwich composite structures at the stage of the basic design.

Key words : Sandwich composite(샌드위치 복합재), Total laminate criterion(전체 적층판 기준식), Low floor bus (초저상 버스), Failure criteria(파손 기준식)

1.

도시형 버스(Intercity bus)의 무게는 과거 정부, 제 작사 및 소비자에게 그리 중요한 문제로 대두되지 않았다. 그러나 지구온난화를 방지하기 위한 교토 의정서가 비준된 이후 대기오염의 주범으로 도시형 버스가 지목되면서 에너지원을 연료전지 등의 신에 너지로 대체하는 동시에 에너지 효율의 극대화측면 에서 고에너지의 효율 사용을 위해 차량의 경량화

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

가 필수적인 연구과제로 대두되기 시작하였다. 차 량의 경량화는 에너지 효율의 증가뿐만 아니라 속 도 향상과 유지보수 비용의 절감 등과 같은 부수적 인 이익을 얻을 수 있어 차량의 연구 개발에서 중요 한 부분을 차지하고 있다.¹⁾이에 신소재 복합재를 이용한 차량 제작 기술이 구조 경량화를 위한 관심 사로 부각되었고 유럽, 미국, 일본 등의 선진국에서 는 적층 복합재(laminate composite) 또는 샌드위치 복합재(sandwich composite)를 적용한 차량을 연구 개발하여 상업 운행 중에 있다.^2,3) 반면, 국내에서는

하이브리드 샌드위치 복합재 초저상버스 구조물의 파손 평가 연구

2000년대 샌드위치 복합재를 적용한 한국형 고속 틸팅열차(TTX)가 지상운송수단(ground transporta- tion)으로는 국내 최초로 개발되어 시험 운행 중에 있다.⁴⁾그러나, 버스와 같은 도시형 승객 이동수단 에 적용된 사례는 없는 실정이다. 일반적으로 버스 차량은 크게 외력을 직접 지탱하는 1차 부재와 외력 을 간접적으로 지탱하는 2차 부재로 나눌 수 있으 며, 차체(bodyshell)가 1차 부재에 해당하고 바닥재 (floor) 등은 2차 부재에 해당하는 대표적인 구조물 이다. 일반적으로 강재, 스테인리스강, 알루미늄 등 의 금속재로 1차 부재인 차체를 제작하게 되면 차체 의 강성과 강도를 요구수준에 맞추어 설계가 가능 하나 차체의 무게 및 유지보수 측면에서는 많은 손 실을 입게 된다. 반면 높은 비강성 및 비강도(high specific strength and stiffness) 특성을 갖는 복합재로 구성된 적층 복합재나 샌드위치 복합재를 차체에 적용하게 되면 강성 및 강도 요구조건을 만족시키 면서 차량의 경량화를 추가적으로 얻게 되어 금속 재보다 많은 유리한 장점을 가지게 된다.⁵⁾

현재 건설교통부의 국가교통핵심기술개발사업 의 일환으로 연구 개발 중인 한국형 초저상 버스 (Korean Low Floor Bus)는 차량의 경량화 및 에너지 효율을 극대화하기 위해 적층 복합재와 샌드위치 복합재가 혼합 적용되는 하이브리드 차량(hybrid vehicle carbody) 개발을 추진 중에 있다. 샌드위치 복합재 패널은 강성이 높은 얇은 면재(facesheet)를 비중이 낮은 두꺼운 심재의 양면에 부착시킨 형태 로 제작되며, 심재(core)는 비중이 낮아 구조물의 경 량화에 기여하며 외부에서 작용하는 하중에 의한 변형에너지를 흡수하고, 면재는 금속재 또는 적층 복합재 등을 사용하여 하중지지능력을 향상시키고 좌굴의 발생을 억제시켜 주는 역할을 한다. 이런 샌 드위치 복합재는 단일 부재로 된 금속재나 적층 복 합재에 비해 굽힘 강성이 높고 피로수명이 길며 부 식 저항성, 단열성, 음향 차폐성이 우수하다.⁶⁾그러 나 샌드위치 복합재는 심한 곡률(high curvature)을 가진 형상에 대해서는 두께 제한으로 인해 제작이 용이하지 않은 단점이 있어 한국형 초저상 버스에 서는 곡면이 심한 부위와 상대적으로 얇게 제작이 되는 차체외벽에 대해서는 적층 복합재를 적용할

예정이다. 이때 적층 복합재의 재질은 샌드위치 복 합재 면재와 같은 종류로 제작하여 재료의 연속성 을 유지시켰다.

신소재 복합재로 차체를 개발하는 경우에는 설계 단계에서 사용 재료에 대한 구조 강성 및 강도를 평 가하여 구조적 안전성을 미리 검토해야 한다. 금속 재로 차체를 제작하는 경우의 구조 강도는 주어진 하중 조건에서 구조해석을 통해 얻은 주응력 정보 로부터 손쉽게 차량의 구조 안전성을 평가 할 수 있 으나 복합재 차체의 경우 작용하중에 의한 파손 모 드가 복잡하고 이에 따른 파손 기준식 역시 다양하 게 존재하여 기존의 금속재 차량의 평가 규정에 의 해서는 구조 안전성을 평가할 수 없다. 따라서 본 연 구에서는 설계단계에서 선정된 재료들로 구성되는 샌드위치 복합재 초저상 버스의 구조 강성을 먼저 검토한 후 결과를 토대로 구조강도를 빠르고 정확 하게 평가하는 방법을 제시하여 차량의 구조안전성 을 검증하고자 한다.

2.

초저상버스는 출입구에 계단이 없고 차체 바닥이 낮으며 경사판이 장착되어 있어 장애인이 휠체어를 타거나, 아기를 유모차에 태운 채 오르내릴 수 있을 뿐만 아니라 노약자들도 쉽게 이용할 수 있는 버스 이며, 국내에서는 수도권지역을 중심으로 초저상버 스가 실제 운행 중에 있다.⁷⁾

국내에서 운행되는 초저상버스는 금속재 차체를 사용하고 있어 경량화, 에너지 효율성 그리고 제작 성 측면에서 복합재를 적용한 차체에 비해 떨어지 는 게 사실이다. 유럽 및 캐나다 등에서는 이런 단점 을 보완하고자 복합재 적용한 초저상 버스가 연구 개발되어 상용화되었으며, Prevost와 Phileas 등이 대표적인 사례이다.⁸⁾ 이에 한국형 초저상 버스는 속 도 및 에너지 효율, 유지보수 비용 절감 등을 위해 Fig. 1과 같이 샌드위치 복합재와 적층 복합재의 혼 합 형태인 하이브리드 차량 개발을 추진하여 현재 연구개발 중에 있다. 또한, 샌드위치 복합재 패널 내 부에는 금속 보강재 보(reinforced beam)를 삽입하여 굽힘 강성을 향상시킬 것이다.

Jaeyoul Lee․Kwangbok Shin․Sangjin Lee

Table 2 Mechanical properties for the selected materials

Orthotropic materials

Material Elastic modulus (GPa) Shear modulus (GPa) Poisson's ratio Density

(kg/m³) E11 E22 E33 G12 G23 G13 v12 v23 v13

WR580

/NF4000 20.81 18.71 3.48 4.26 1.42 1.42 0.16 0.45 0.45 1850

Aluminum

honeycomb 3.3×10^-4 3.3×10^-4 1.37 0.8×10^-4 0.18 0.18 0.991 0.0001 0.0001 59

Balsa CK-100 0.16 0.053 3.52 0.018 0.13 0.19 0.23 0.009 0.018 151

Isotropic materials

Material Elastic modulus (GPa) Poisson's ratio Density (kg/m³)

Aluminum 5052 70 0.33 2782

SUS400 200 0.30 7900

Fig. 1 Design and manufacturing concept of korean low floor bus

2.1

한국형 초저상 버스는 교통약자에 대한 대중교통 시스템의 이용 증진 방침으로 저상버스로 제작 되 며, 버스 승강장과 차체 바닥의 높이가 동일하게 설 계되었다. 총 길이 11m, 폭 2.5m, 높이 3.4m의 치수 를 가지고, 주행면과 차체 바닥과의 높이는 340mm 로 선정하였다.⁹⁾

설계 단계에서, 초저상 버스 차체(bodyshell) 및 바닥재(floor)의 구성 재료로 고려중인 샌드위치 복 합재 패널, 적층 복합재 그리고 보강재의 종류들은 Table 1에 나타냈다.

차체 적용 샌드위치 복합재 패널의 면재는 차량 의 경량화, 곡선부위에서의 제작성 및 충격 특성 등 을 고려하여 직물유리섬유/에폭시 적층 복합재 (glass fabric/epoxy laminate, GE) 면재를 선택하였고, 심재는 지상구조물에 가장 널리 사용되는 알루미늄

Table 1 Types of material systems considered in design stage Part Name Composition of material

Facesheet Core

Body shell

Sandwich

GE/A H Glass fabric /Epoxy (WR580/

NF4000)

Aluminum 5052 Honeycomb (3/8''-5052-0.0025'')

GE/B A BAlsa CK-100

(Contour type) Laminate GE Glass fabric/Epoxy

(WR580/NF4000)

Floor structure

Sandwich A L/A H ALuminum 5052

Aluminum 5052 Honeycomb (3/8''-5052-0.0025'') Laminate A L ALuminum 5052

Reinforced beam Metal

A LE ALuminum 5052

Extrusion Profile STE STainless Steel SUS400

Extrusion Profile

허니콤 코어(AH) 또는 발사 코어(BA)를 고려하였 다. 반면, 바닥재 적용 샌드위치 패널의 면재는 곡선 부위가 거의 없는 2차 부재이므로 알루미늄 면재 (AL)를 선택하였고 심재로는 알루미늄 허니콤 코어 (AH)를 고려하였다.

심한 곡률을 갖는 부위와 두께가 얇은 차체 외벽 에 국한적으로 적용하게 될 적층 복합재는 샌드위 치 복합재 면재와의 재료 일치성을 유지하기 위해 직물유리섬유/에폭시 복합재를 선택하였다.

보강재(reinforced beam)는 차체와 바닥재에 모두 적용되며 알루미늄(ALE) 또는 스테인리스강 압출 재(STE)가 고려되고 있다. 알루미늄 또는 스테인리 스강 보강재는 제작 및 가격 측면에서 유리하지만 복합재 면재와의 전기적 부식(galvanic corrosion) 을 방지하기 위해 표면 코팅을 해야 한다. 선정된 재료들에 대한 기계적 물성은 Table 2에 나타냈다.

A Study on Failure Evaluation of Korean Low Floor Bus Structures Made of Hybrid Sandwich Composite

Table 3 Design requirements of the korean low floor bus structures

Type Structural requirements

Strength Stiffness

Composite structures

Laminate type Glass fabric/Epoxy (WR580/NF4000)

Failure index < 1

Maximum deflection*

<

1000

×5,400**(mm) Sandwich typel

Facesheet Glass fabric/Epoxy (WR580/NF4000)

Core

Aluminum 5052 honeycomb (3/8''-5052-0.0025'')

Balsa CK-100 (Contour type)

Metal structures

Reinforced beam Stainless steel SS400 extrusion Von-Mises stress < 250 (yield stress) Aluminum 5052 extrusion

Von-Mises stress < 207 (yield stress) Metallic panel Aluminum 5052

* : Floor

** : Distance of Front and Forward Axle

WR580/NF4000 직물유리섬유/에폭시 복합재의 물 성은 인장, 압축, 전단시험을 통해 직접 구하였고, 알루미늄 허니콤 코어와 발사 코어의 물성은 제작 사의 제공 데이터와 참고문헌을 참조하였다.^10,11)

2.2

차체의 구조안전성은 정해진 하중 조건하에서 선 정된 재료로 구성된 구조물의 강성 및 강도가 설계 요구조건을 만족하는 지 유무로 판단하게 된다. 이 때 가해지는 하중은 차량 전복(rollover) 또는 충돌 (crash)과 같은 동적 하중과, 탑승 승객과 취부 장비 들에 의한 정적 하중으로 구분되는 데, 본 연구에서 는 동적 하중을 고려하지 않았다. 동하중에 대한 버 스 차체의 구조 안전성은 충돌 및 전복 해석으로 평 가하며, 이는 정적 하중 하에서 구조안전성을 먼저 확보한 후 수행하게 된다.

한국형 초저상 버스 구조물은 신소재 복합재를 적용하여 개발되기 때문에 구조 강성 및 강도 요구 조건에 대해 정해진 규격이 없다. 따라서, 본 연구에 서는 철도차량의 규정을 근거로 하여 구조 강성에 대한 설계 요구조건은 정적 수직 하중 하에서의 최 대 처짐이 ｢조향축과 구동축 간의 길이 × 1/1000 (mm)｣ 이내의 값을 만족해야 한다고 설정하였고, 구조물에 대한 구조강도 요구 조건에 대해서는 복 합재 구조물의 파손 평가에 적용되는 파손 기준식 (failure criterion)들 중에 선별하여 제시하였다.

Table 3은 초저상 버스 구조물에 대한 강성 및 강도

요구조건을 재료에 따라 구분하여 요약한 것이다.

3.

3.1

구조해석은 범용 유한 요소 해석 프로그램인 ANSYS ver.10을 사용하였으며 선행연구에서 샌드 위치 복합재에 대한 구조해석에는 SHELL91 요소 를 사용한 2차원적인 모델링 방법과, 면재는 SHELL63, 심재는 SOLID45 요소를 함께 사용하는 3 차원적인 모델링 방법으로 나누어 질수 있는 데, 설 계단계에서 구조해석 검증은 모델링이 간단하고 자 유도 수를 줄이면서 3차원 모델링 기법과 거의 유사 한 결과가 도출되는 2차원적인 모델링 방법을 선택 하였다.¹²⁾ 3차원적인 모델링 방법은 추후 충돌 및 전 복 해석에 사용될 것이다.

유한요소모델은 Fig. 2와 같이 전처리 프로그램 인 Hypermesh를 이용하여 생성하였다. 샌드위치 복 합재 패널과 적층 복합재는 SHELL91 요소, 금속재 판은 SHELL93 요소 그리고 보강재는 Timoshenko 보 이론을 기반으로 하는 BEAM188 요소로 모델링 하였다. 보강재의 높이와 폭은 샌드위치 복합재 패

이재열․신광복․이상진

Table 5 Case studies on the verification of the structural stiffness for the KLFB bodyshell and underfloor

Case No. Bodyshell Floor

Bodyshell materials

Sandwich composites Laminate composite

Reinforced beam

Sandwich composites Metallic panels

Reinforced beam Facesheet thickness

(mm) Core

thickness (mm)

Thickness (mm)

Facesheet

thickness (mm) Core thickness

(mm) Thickness Top (mm)

skin Bottom

skin Top

skin Bottom skin CASE 1A CASE 1B

2.5 30.0 5.0 ALE

2.0 30.0 2.0 ALE

CASE 2A CASE 2B STE STE

CASE 3A CASE 3B

3.0 32.0 6.0 ALE

2.5 35.0 2.5 ALE

CASE 4A CASE 4B STE STE

CASE 5A CASE 5B

3.5 1.5 30.0 5.0 ALE

2.0 30.0 2.0 ALE

CASE 6A CASE 6B STE STE

CASE 7A CASE 7B

4.0 2.0 32.0 6.0 ALE

2.5 35.0 2.5 ALE

CASE 8A CASE 8B STE STE

A : GE/AH Sandwich Composite B : GE/BA Sandwich Composite

Fig. 2 FE modeling concept of korean low floor bus

Table 4 Dimensions of reinforced beam

Applied part

N ame (Materials)

Dimensions Height

(mm) Width

(mm)

Thickness(mm) t

Bodyshell ALE

Same as Sandwich Core

Height STE 2.0

Floor ALE

STE 3.0

AL=Aluminum, ST=Steel, E=Extrusion

널의 심재의 두께와 동일한 치수로 선정하였고, 두 께는 Table 4와 같이 차체는 2.0mm, 바닥재는 3.0mm 로 선정하였다.

차체 구조물 내부에 삽입되는 보강재의 경우는 Fig. 3(a)과 같이 샌드위치 패널 내부에 고정되는 경 우와 Fig. 3(b)과 같이 적층 복합재 및 금속재 구조물 에 고정되는 경우로 나누어진다. 제작의 편의성을

(a) (b)

Fig. 3 Schematics of reinforced beam applied to various parts

Fig. 4 Loading conditions of FE model for the KLFB

위한 보강재의 두께는 모두 같게 하였다.

하중조건은 Fig. 4와 같이 제작사에서 요구하는 하중 조건인 CNG 탱크의 무게와 승객하중(40명

×70kg 기준)에 안전계수 1.5를 곱하여 적용하였으 며 구속조건은 Fig. 5와 같이 전방 축 프레임 지지부 와 후방 축 프레임 지지부에 완전구속조건을 설정 하였다.

하이브리드 샌드위치 복합재 초저상버스 구조물의 파손 평가 연구

Fig. 5 Boundary conditions of FE model for the KLFB

3.2

초저상 버스 구조물에 대한 구조 강성 평가는 Table 5와 같이 16가지의 설계변수를 선정하여 수행 하였으며, 결과를 토대로 초저상 버스 적용을 위한 최적의 재료와 치수를 선정하려 한다. 이때 설계변 수를 선정된 치수들은 생산이 용이한 것을 고려하 였다. 구조해석에서는 재료의 치수들을 설계변수로 설정하여 최적화해석(optimal analysis)을 수행하려 했으나. 자유도 수가 많아 계산시간이 오래 걸리며 최적화 해석에 필요한 복합재 구조물의 파손 응력 한계치가 금속재와 달리 하나의 응력 값을 기준을 삼을 수 없는 관계로 경우 수를 선정하여 매개변수 해석(parametric analysis)을 수행하였다. Table 5에서 Case 1～4(A, B 그룹 모두)는 샌드위치 복합재 패널 의 면재들이 서로 같은 두께를 가진 경우이며 Case 5～8(A, B 그룹 모두)은 외부 및 내부 면재의 두께가 서로 다른 경우이다. 이때, 외부 면재(outer face- sheet)와 내부 면재(inner facesheet)의 두께가 서로 다 른 경우 샌드위치 패널은 중립축과 도심 위치가 달 라 비대칭 굽힘 거동을 보이는 단점이 있으나, 추가 적인 무게 절감과 재료비 절감 효과를 얻을 수 있는 장점이 있어 제작사에서 선호하는 제작방법이다.¹³⁾

3.3

Fig. 6 Comparison of maximum deflection and weight of floor for all cases

5.4mm)를 나타내고 점선아래의 값들은 요구조건을 만족함을 의미한다.

Fig. 6에서 차체 중량은 알루미늄 허니콤 코어를 적용한 샌드위치 복합재(GE/AH)로 구성된 A 그룹 이 발사 코어를 적용한 샌드위치 복합재(GE/BA)의 B 그룹에 비해 작다는 것을 확인할 수 있는 데, 이는 발사 코어의 비중이 허니콤 코어에 비해 높기 때문 이다. 구조 강성은 CASE 3, 4와 7, 8(A, B 그룹 모두) 이 요구조건을 만족시키는 것으로 확인되었다. 요 구조건을 만족시키지 못하는 경우는 상대적으로 작 은 두께를 갖는 재료들로 구성되어 구조 강성이 약 한 것으로 판단된다.

CASE 1, 3, 4, 7 그리고 8(A, B 그룹 모두)이 구조 강성 요구조건을 모두 만족시키지만, 초저상 버스 의 재료 선정에 있어서 가장 중요한 인자는 무게 대 비 구조 성능이다. 따라서, 무게 대비 구조 강성 결 과를 재료 구성에 따라 정리하면 Fig. 7에서 볼 수 있 듯이 허니콤 코어 적용 샌드위치 복합재(GE/AH)로 구성되는 A 그룹의 CASE 3과 7이 다른 재료 구성들 에 비해 가장 우수한 것으로 확인되었으며, 발사 코 어 적용 샌드위치 복합재(GE/BA)로 구성되는 B 그 룹 역시 CASE 3과 7이 우수한 것으로 확인되었다.

또한 외부 면재와 내부 면재의 두께가 같은 경우와 같지 않은 경우 구조강성은 큰 차이를 나타내지 않 았는데 이는 샌드위치 복합재 패널 단면의 중립면 을 기준으로 수직 하중시의 외부 면재는 압축하중 을 내부 면재는 인장하중을 받게 되어 면재 두께의

Jaeyoul Lee․Kwangbok Shin․Sangjin Lee

Fig. 7 Comparison of deflection per weight of floor for all cases

대칭 및 비대칭에 무관하게 상호 보완 작용으로 비 슷한 값을 나타내는 것이라 판단된다. 따라서, 샌드 위치 구조물의 외부 및 내부 면재 두께가 서로 달라 도 구조안전성 측면에는 문제가 없는 것으로 확인 되었다.

4.

재료강도(strength of material)는 그 재료를 사용하 는 구조물의 설계에 있어서 매우 중요한 물성이다.

파손(failure)은 작용하중이 재료가 수용할 수 있는 하중의 한계에 도달할 때 일반적으로 재료 내․외 부에서 발생한다.¹⁴⁾ 따라서 차량 설계 시 극한의 운 행조건 하에서도 구조적으로 파손이 일어나지 않게 설계하여야 한다. 초저상 버스 구조물에 적용되는 재료는 스테인리스강, 알루미늄과 같은 등방성 금 속재 재료와 샌드위치 복합재 및 적층 복합재의 이 방성 재료가 동시에 사용되므로 이들 각각의 재료 에 대한 파손 기준식들을 정립하여 초저상 버스 구 조물에 대한 구조 강도 평가가 수행되어야 한다. 본 연구에서는 복합재 초저상 버스 구조물에 대한 구 조 강도를 설계단계에서 제한된 정보만으로 쉽고 빠르고 정확하게 예측할 수 있는 파손기준식을 제 시하여 파손평가를 수행하였다. 이때, 샌드위치 복 합재의 경우 면재가 대부분의 외력을 지탱하므로 심재는 구조 강도 평가에서 고려하지 않았다. 이는 샌드위치 복합재의 면재 파손이 가장 위험한 상황 을 초래하므로 기본설계 단계에서 구조 강도 평가

에 대해 타당하다고 판단된다.

초저상 버스 구조물은 금속재 구조물과 샌드위치 복합재 및 적층 복합재로 구분되며 구조강성평가를 통해 무게대비 구조강성이 높은 CASE 3과 7(A, B 그룹 모두)에 대하여 적용된 재료에 대한 파손평가 를 수행하였다.

4.1

초저상 버스 구조물에 대해 금속재로 적용되는 보강재와 금속재 패널의 파손 평가는 Von Mises- Hencky 파손기준식을 적용하였다.

Table 6은 구조 강성 평가에서 구조 강성 요구조 건을 만족하는 CASE 3과 7(A, B 그룹 모두)에 대해 차체와 바닥재를 구성하는 금속재 보강재 및 패널 에 대한 강도평가 결과를 종합적으로 나타난 것으 로, Von-Mises 응력 값들은 모두 항복 강도 내에 존 재하여 기본 설계단계의 금속재 구조물에 대한 구 조강성 및 강도안전성을 모두 확보한 것으로 확인 되었다. Fig. 8은 초저상 버스의 금속재 구조물에 대 한 Von-Mises 응력분포를 나타낸 것이다.

Table 6 Results of the failure evaluations for metal structures using Von Mises-Hencky criterion

Part

Case 3A Case 7A

Limit value (Mpa)

Present value (MPa)

State Limit value (Mpa)

Present value (MPa)

State

Reinforced beam

Bodyshell < 207 (yield stress)

36.20 Safe < 207 (yield stress)

43.50

Floor 60.90 Safe 61.82

Metallic panel 57.40 Safe 58.20

Part

Case 3B Case 7B

Limit value (Mpa)

Present value (MPa)

State Limit value (Mpa)

Present value (MPa)

State

Reinforced beam

Bodyshell < 207 (yield stress)

36.10 Safe < 207 (yield stress)

35.60

Floor 60.90 Safe 61.72

Metallic panel 57.30 Safe 57.80

4.2

샌드위치 복합재와 적층 복합재는 기계적 물성이 방향성으로 갖는 직교이방성(orthotropic)의 성질을 가지게 되어 파손모드(failure mode)는 매우 복잡한 경향을 보이게 된다.

A Study on Failure Evaluation of Korean Low Floor Bus Structures Made of Hybrid Sandwich Composite

Fig. 8 The contours of Von-Mises stress of KLFB metal structures

Fig. 9 Damage modes of fiber-reinforced composite laminates

샌드위치 복합재는 작용하중의 방향과 형태에 따 라 다양한 파손모드가 존재하며, 적층 복합재 역시 Fig. 9에서 보듯이 모재균열(matrix cracking), 층과 층 사이가 분리되는 층간분리(delamination), 섬유파 손(fiber breakage) 그리고 섬유와 모재의 계면파손 (fiber-matrix debonding) 등으로 구분되며 이와 같은 파손모드는 복합재 구조물 내부에 혼합된 다차원적 인 파손형태로 나타난다.¹⁵⁾

샌드위치 복합재의 면재와 적층 복합재가 고분자 섬유강화 복합재료로 이루어진 경우 구조물의 파손 예측은 Table 7과 같이 층간 접근방법(ply by ply app- roach)과 전체 적층판 접근방법(total laminate app- roach)으로 분류되어질 수 있다.

층간 접근방법은 복합재료의 일방향 적층판에 적 용할 수 있으며, 각 플라이(ply)의 파손을 점검하기 위해서는 각 층(layer)에 발생하는 응력을 첫 번째로

Table 7 Failure criteria of laminated composites

Approach

method Criterion Features

Ply by ply approach

Limit

criteria¹⁶⁾ 1) Each layer is considered to be homogeneous and orthotropic 2) Lamination theory is used to obtain the stresses and strains in each layer

Interaction criteria¹⁷⁾

Tensor polynomial

criteria¹⁸⁾ Total

laminate approach

Direct laminate criteria¹⁹⁾

1) Lamination theory is not needed

2) Requires the laminate strength

얻어야 가능하다는 단점이 있다.

반면 전체 적층판 접근방법은 적층판에 직접 적 용할 수 있다는 점이 다르다. 이러한 직접 적층판 기 준식(direct laminate criterion)은 적층판 이론(lami- nate theory)과 구성성분의 가정을 내포하지 않고 파 손모드는 예측할 수 없지만, 파손의 시작은 예측할 수 있다. 이 접근방법의 유일한 단점은 사용하려는 적층판의 강도를 시험으로 결정해야 한다는 것이 다. 따라서, 직접 적층판 기준식은 설계 단계에서 적 층 구조물의 거시적인 파손 유무를 판단할 때 유효 하며, 특히 직물 복합재 구조물에 매우 유효함을 보 이고 있다.¹⁹⁾ 대표적인 직접 적층판 기준식에는 Puppo-Evensen 파손기준식, Guess-Gerstle 파손기준 식 등이 있다.^20,21)

Table 8은 전체 적층판 접근방법에 의한 파손 기 준식을 나타낸 것이다. Puppo-Evensen 파손기준식 에서 적층판은 균질이면서 이방성이라 가정하고 있 으며 직교이방성일 필요는 없으나 강도 X, Y 그리 고 S 등을 시험을 통해 구해야 한다. 단, 상호작용계 수(interaction factor) 는 등방성재료인 경우 1, 직물 같은 재료(fabriclike material)인 경우 0이 된다.

전체 적층판 접근방법 파손 기준식을 이용하여 복합재 차체 구조물의 파손 평가를 위해서는 적층 판에 대한 강도 값을 시험하여 기본적인 데이터로 확보해야 한다. 본 연구에서는 적층판의 강도 측정 을 위해 WR580/NF4000 직물유리섬유/에폭시 적층 판을 오토클레이브 성형 후 시편을 제작하였다. 시 편개수는 시험 당 6개였고 사용된 적층 복합재 시편 은 직조형태로 두께는 3mm이다. 적층판의 두께를

이재열․신광복․이상진

Table 8 Typical failure criteria for total laminate approach

Criteria

method Criterion

Direct laminate

criteria

Puppo-Evensen criterion

   ≦ 







^  









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

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

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^ 

where,

 



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Guess-Gerstle criterion







^ 

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



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  





^ 

σ_x, σy, τxy : 주재료방향(principal material direction)내에서의 응력성분; X, Y : 섬유방향과 섬유직각방향의 인장강도; S : 1-2평면내의 전단강도

Table 9 Strengths for WR580/NF4000 glass fabric/epoxy laminates

Type Material Direction

Tensile strength (MPa)

In-plane shear strength (MPa)

Facesheet

&

laminate panel

WR580/

NF4000 X

(Fill) 424.83

85.77 (S) Y

(Warp) 414.88

X, Y, S는 적층판 축에 대한 강도

3mm로 제작하여 강도를 측정한 이유는 복합재 차 체의 가장 높은 응력이 발생하는 부위의 기본골조 의 두께가 3mm로 설계되었기 때문이다. Table 9는 WR580/NF4000 직물유리섬유/에폭시 적층판에 대 한 강도 시험 결과를 나타내고 있다.

파손기준식을 적용하기 위해서 필요한 강도 X, Y 그리고 S는 적층판 강도 시험을 통해 구하였으므로 구조 해석을 통해 구조물의 응력성분(σx, σy그리고 τxy)만 구하면 손쉽게 구조안전성을 판단할 수 있게 된다.

상용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS에서는 이방성 재질의 파손 평가 방법으로 층간 접근방법 파손식에 속하는 Maximum Stress 파손기준식, Maximum Strain 파손기준식 그리고 Tsai-Wu 파손기 준식을 기본적으로 제공하고 있으나, 이외에 다른 파손 기준식을 적용하기 위해서는 평가 재료에 따

Table 10 The failure indexes of KLFB composite structure

Case Criterion Limit value

Maximum failure index State Sandwich

facesheet Laminate

CASE 3A

Puppo- Evensen

< 1

0.007 0.059

Safe Guess-

Gerstle

Safe

CASE 3B

Puppo- Evensen

< 1

0.009 0.083

Safe Guess-

Gerstle

Safe

CASE 7A

Puppo- Evensen

< 1

0.012 0.108

Safe Guess-

Gerstle

Safe

CASE 7B

Puppo- Evensen

< 1

0.011 0.084

Safe Guess-

Gerstle

Safe

른 포트란 서브루틴(fortran subroutine)을 작성하여 사용자가 원하는 파손 기준식을 적용할 수 있다.²²⁾ 본 논문에서는 ANSYS에서 기본적으로 제공하는 층간 접근방법 파손기준식이 아닌 전체 적층판 파 손기준식인 Puppo-Evensen 파손기준식과 Guess- Gerstle 파손기준식을 서브루틴을 작성하여 파손 평 가를 수행하여 상호 비교하였다.

비교 결과 Table 10과 같이 파손지수는 모두 기준 치인 1에 비해 매우 작은 값이 도출되고 상대적으로 매우 우수한 구조강도 특성을 보이고 있음을 확인 하였다. 여기서, 복합재 구조물의 파손지수는 비선 형성을 가져 조금의 응력증가로 인해 파손지수가 급격히 증가하는 특징을 가지고 있기 때문에 파손 지수가 매우 작은 값을 보이는 것은 과잉설계를 의 미하는 것은 아니다. Fig. 10은 CASE 3A에 Guess- Gerstle 파손 기준식을 적용한 경우에 대해 파손 지 수를 대표적으로 나타낸 것이다.

반면 응력이 집중되거나 응력값이 높은 성분만 파악하여 파손기준식을 쉽게 파손 유무를 판단할 수 있는 또 다른 방법은 파손 영역(failure envelope) 을 도식적으로 표현하는 것이다. Fig 10은 초저상 버 스의 응력값이 높은 부위에서 Puppo-Evensen 파손 기준식과 Guess-Gerstle 파손기준식을 이용하여 파 손영역을 나타낸 것이다. 결과에서 보듯이 구조해

하이브리드 샌드위치 복합재 초저상버스 구조물의 파손 평가 연구

(a) Sandwich composite structure

(b) Laminate composite structure

Fig. 10 The contour of failure index of KLFB composite structure using Guess-Gerstle failure criterion

Fig. 11 Failure envelopes for KLFB composite structures

석 등의 방법을 이용하여 적층 복합재의 응력성분 을 알아내면 그 값이 안전한 영역에 있는 지 파손영 역에 있는지 알 수 있다. Fig. 11의 결과에서 다시 확 인할 수 있듯이 기본설계단계인 한국형 초저상 버 스의 하이브리드 복합재 차체 구조물에 발생하는 응력성분은 모두 안전한 영역에 분포하고 있다.

5.

본 논문에서는 현재 연구 개발 중인 한국형 초저 상 버스의 하이브리드 복합재 구조물의 재료와 치 수를 매개변수로 하여 강성 및 강도평가를 수행하 여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 하이브리드 복합재 구조물에 대한 구조강성평 가를 수행한 결과 구조강성이 우수한 경우는 CASE 3과 7(A, B 그룹 모두)가 우수한 굽힘 특성 을 나타내었다. 또한 샌드위치 복합재의 외부 및 내부 면재의 두께가 같은 경우와 같지 않은 경우 구조안전성 측면에서는 크게 차이가 나지 않으 며 샌드위치 복합재의 코어 재료가 알루미늄 허 니콤과 발사인 경우도 구조강성 측면에서는 큰 차이를 보이지 않으나 무게대비 굽힘 강성은 평 가결과 알루미늄 허니콤으로 구성된 경우 가장 높은 구조 안전성을 가지는 것으로 확인되었으 나 발사인 경우도 높은 구조 안전성을 나타냄을 확인하였다. 따라서 초저상 버스의 하이브리드 복합재 구조물을 제작할 때 코어재료와 면재의 두께는 제작성과 경제성을 고려하여 선정 되어 야 할 것이다.

2) 초저상 버스 구조물에 적용되는 금속재 보강재 및 패널에 대한 구조 강성 요구조건을 만족하는 CASE 3과 7(A, B 그룹 모두)에 대해 Von Mises- Hencky 파손기준식에 의한 구조강도평가 결과 구조안전성을 확보한 것으로 확인되었다.

3) 초저상 버스에 적용되는 복합재 구조물의 파손 예측은 전체 적층판 접근방법을 사용하여 설계 단계에서 평가하였다. 이 방법은 복합재에 대한 적층판 강도시험만을 수행하면 쉽고 빠르게 설 계 검증 및 파손예측을 수행할 수 있음을 증명 하 였고, 파손 평가 결과 파손지수가 1이하로 매우 안전함을 확인하였다. 이때, 복합재 구조물의 파

Jaeyoul Lee․Kwangbok Shin․Sangjin Lee

손지수는 비선형성을 가져 조금의 응력증가로 인해 파손지수가 급격히 증가하는 특징을 가지 고 있기 때문에 파손지수가 매우 작은 값을 보이 는 것은 과잉설계를 의미하는 것은 아니며, 구조 강도 측면에서 충분히 안전성을 가진다고 사료 된다.

후 기

본 연구는 건설교통부에서 수행중인 국가교통핵 심기술개발사업의 지원으로 수행하였으며, 이에 감 사드립니다.

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